具有耦合设备的供电系统的制作方法

具有耦合设备的供电系统
1.本发明涉及一种本地供电系统，用于从连接的供电电网或储能器装置中选择性地向用电器供电。
2.此外，本发明还涉及一种用于操作本地供电系统的方法。
3.具体而言，本发明涉及所谓的应急电源系统、备用电源或备用系统，这些系统在电网发生故障的情况下对并网的供电系统进行防护，即能够继续向至少一部分连接的负载供电，例如根据预定的优先级供电。为此，必须执行一系列的开关操作，例如，断开电网、启动电网形成器(netzbildner)、将其接入到供电线路。此外，必须监测电网的状态，以便例如在电网恢复时启动本地发电机的同步，并能够将系统与电网重新连接起来。这些要求和其他许多要求必须要满足，并且这些要求的满足在不同国家都有各种准则、规范和标准的记录。
4.特别是满足与这种应急电源系统有关的中央电网和系统保护的要求是复杂的，而且成本很高。因此，例如，一些国家要求在切换到紧急操作之前全极断开(allpolige trennung)供电线路，而另一些国家却绝对禁止断开中性导体。对于应急电源系统的供应商来说，这会产生种类繁多的变型和相关成本的问题。最好能实现标准化，或者至少能根据国家和要求实现组件的模块化可互换性。
5.在现有技术中，主要描述了用于用电器和备用系统的共同的电网分离点(trennstelle)，ep 2 668 705 81 b1在图1中示出了一种断开设备，通过该断开设备可以将传输线路分为相互电绝缘的两个部分，即供电部分和放电部分。在放电部分中设置了电网形成器，用于建立本地供电电网，以便在通过断开设备与电网断开后给用电器装置供电。这里的缺点是，电网形成器(包括电池和逆变器(wechselrichter)和用电器都位于同一个放电部分，使得断开装置的尺寸必须显著增大，因为断开装置必须为整个最大可能的功率进行设计。
6.de 10 2012 113 016 b4在图1中示出了光伏发电机，其能量可以通过pv逆变器和电网断开装置馈入到上级供电电网。在电网发生故障的情况下，本地能源分配电网与上级供电电网断开，并且电网备用系统建立本地电网，pv逆变器可以继续向本地电网馈电。在这里，用电器、发电机和备用系统也布置在同一条供电线路上。由于在许多国家，馈线在允许的电网参数(电压、频率)方面的限制比用电器的限制更窄，因此即使电网状态仍然允许操作用电器，但可能必须与电网断开。这是很不利的。
7.本发明的任务在于克服上述缺点，进一步简化上述要求的实现，从而提出一种本地供电系统，该供电系统可以更容易地适应相应地方法规和环境，使得更低成本地生产备用系统成为可能。
8.该任务通过本地供电系统得以实现，该本地供电系统通过电网传输点连接到供电电网，并且具有：第一传输线路，其用于将电能传输到用电器装置；以及第二传输线路，其用于将电能在储能器装置和供电电网之间来回传输。在此，第一传输线路布置在电网传输点和第一连接端之间，用电器装置可以连接到该第一连接端。第一分离点位于电网传输点和第一连接端之间的第一传输线路中。第二传输线路布置在电网传输点和第二连接端之间，储能器装置可连接到该第二连接端。第二分离点位于电网传输点和第二连接端之间的第二
传输线路中。此外，本地供电系统还具有耦合设备，该耦合设备与第一连接端和第二连接端电连接。耦合设备具有第一开关和与其串联连接的第二开关。
9.串联连接的两个开关之间连接了耦合元件，该耦合元件具有来自一组装置的至少一个元件。这组装置包括接地装置、相连接装置、中性导体连接装置、与柴油发电机的连接装置和用于产生中性导体电势的装置。在本发明中，现有技术中常见的中央分离点被划分为储能器的分离点和负载的分离点。这可以通过将共同的传输线路分离成分别到这两个装置的传输线路来实现。这是有利的，因为如上所述，适用于储能器的分离点的要求通常与适用于负载的分离点的要求不同。尽管如此，在正常操作中，既可以从电网向用电器供电，也可以从储能器装置实现本地供电，即通过两条传输线路来实现本地供电。
10.原则上，根据本发明的本地供电系统适合连接到任何供电系统。这方面的示例是单相或三相电网，具有中性导体或不具有中性导体，以及所谓的分相电网。为了探测电网扰动或电网故障，可以借助传感器在分离点以外的点(例如，电网传输点)监测供电电网。由电网监测确定的值可以发送到中央控制单元，该中央控制单元可以位于本地供电系统中。然而，中央控制单元也可以被设计成属于储能器的转换器/逆变器的一部分。如果探测到电网扰动/电网故障，则借助第一分离点和第二分离点将第一传输线路和第二传输线路断开，这意味着用电器装置和储能器装置与供电电网断开。各个开关也可以由中央控制单元控制。与供电电网断开的前提条件是，储能器装置可以建立本地独立电网。为此，闭合耦合设备的第一开关和第二开关，从而形成本地电网，并且储能器装置通过耦合设备向用电器装置供电。为了能够建立本地电网，例如可以将电池逆变器构造成电网形成器，即该电网形成器能够独立建立孤立电网，在这里也被称为备用操作。
11.原则上，储能器装置可以由一个或更多个储能器组成，同样地，用电器装置也可以由一个或更多个用电器组成。
12.在本发明的有利的实施方式中，耦合设备在两个开关之间具有接地装置。在大多数供电电网中，接地的中性导体是指定的(星点接地)。根据正常操作时中性导体接地的位置，备用操作时接地连接可能会因与电网断开而丢失。然后，必须在备用操作中实现中性导体的接地。在优选的实施方式中，中性导体的这种接地由耦合元件提供，也就是说，耦合元件可以包含从中性导体到地(pe)的固定连接。
13.在本发明的有利的实施方式中，本地供电系统包括储能器装置。如果储能器装置也具有中央控制单元，或者如果存在于本地供电系统中的中央控制单元也控制储能器装置的功能，这就特别有利。
14.在本发明的另一有利的实施方式中，储能器装置包括另外的能源发电机，特别优选地，这些能源发电机可以由可再生能源供给。在此，例如可能是光伏电厂、风力发电厂或沼气厂。在这里有利地，在正常操作(与供电电网并网)和备用操作(例如，在电网发生故障的情况下)时，也可以从本地产生的能量向用电器供电。在电网故障持续较长时间的情况下，可以长时间向用电器供能，并且在能源过剩的情况下，也可以从本地的产能系统向电池充电。
15.在本发明的另一有利的实施方式中，耦合设备的第一开关连接在第一连接端和耦合元件之间，以及耦合设备的第二开关连接在第二连接端和耦合元件之间。如果第一条传输线路具有第一数量(例如，3个)的外部导体，则第一开关可以具有相应的第一数量的开关
触点和用于中性导体的开关触点，因此，在示例中第一开关具有四个触点。在一些国家，这种全极断开是指定的。
16.在本发明的另一有利的实施方式中，第一传输线路具有第一数量的外部导体，第一开关具有相应的第一数量的开关触点，但中性导体不被第一开关切换。由于在北美的一些国家，标准上是禁止断开中性导体的，因此在这里，例如在常规的“分相”电网中，第一开关有可能通过两个开关触点来应对，中性导体可以被一直接通(durchschleifen)。
17.在本发明的另一有利的实施方式中，第二传输线路具有第二数量的外部导体，并且第二开关具有相应的第二数量的开关触点和用于中性导体的开关触点。
18.如果第一数量大于第二数量，则耦合元件可以具有相连接装置，该相连接装置使第一传输线路的多个外部导体与第二传输线路的外部导体连接。这样，连接到例如三相的第一传输线路的单相用电器仍然可以由例如单相的储能器装置来供电：第一传输线路的三个外部导体通过耦合元件与第二传输线路的外部导体连接。
19.在本发明的另一有利的实施方式中，耦合元件具有接地装置，该接地装置在中性导体n和地之间建立连接。在备用操作中，由于两个分离点而与电网断开，中性导体的接地参考可能会丢失。在这种情况下，通常希望或规定恢复中性导体与地的连接，以便像rcd(fi开关)的保护措施可以生效，特别是在电网操作中存在的保护措施可以在备用情况下使用。
20.在本发明的另一有利的实施方式中，第一传输线路被设计成单相三线电网(“分相”)，并且耦合元件具有以自耦变压器(“autotransformer”)形式产生中性导体电势的装置作为电感式分压器。通过这种方式，具有两相外部导体连接端而没有中性导体的储能器装置可以与“分相”传输线路耦合，以便向单相用电器供电。
21.在本发明的另一有利的实施方式中，耦合元件具有与柴油发电机的连接装置。这使得在备用情况下柴油发电机可以集成在用电器的电源中。连接装置可以包含其他开关，用于根据需要耦合发电机。术语柴油发电机在此应被理解为可以通过内燃机驱动的转子产生交流电的代表性的发电机。
22.当在备用情况下需要大量能源时，通常将柴油发电机集成到应急电源或备用系统中，特别是为电网故障持续较长时间做准备，例如当并不总是足以确保能供应可再生能源时。然后在需要时(通常取决于电池逆变器的电池的电量状态)启动发电机，并与系统同步和连接。当电池再次具有足够的电量状态时，可以再次停止并断开发电机。
23.有利地，该实施方式能够实现在电网发生故障和电池系统切断或发生故障和/或供电系统的整个操作控制都发生故障的情况下，如果发电机例如已被手动启动，则通过控制第一开关直接向负载供应施加在耦合元件上的发电机电压。中央中性导体接地也可以在紧急操作中成功实施，并且用电器电气安全的安全措施(例如，使用故障电流保护开关)仍然有效。
24.该实施方式进一步实现了例如用来自发电机的功率向用电器供电，而储能器则由集成到储能器装置中的可再生发电机充电，其方式是通过断开第二开关并闭合第一开关来实现的。
25.由于具有第一开关和第二开关以及耦合元件的耦合设备的模块化结构，根据本发明的本地供电系统可以很容易地通过调整耦合元件来适应区域条件和法规。
26.在本发明的有利的实施方式中，第一分离点、第二分离点、第一开关和第二开关分
别具有辅助触点，通过这些辅助触点建立机电联锁(elektromechanische verriegelung)，使得即使中央控制单元发生故障，也能保证所需要的安全功能。原则上，应该注意的是，电网分离点和通过耦合设备的连接相互联锁，也就是说，当用电器通过耦合设备与储能器装置连接时，电网分离点必须是断开的。这可以用基本上已知的方式和方法来实现，即通过分别用于联锁所需的“配对”继电器的辅助触点来控制继电器这种方式来实现。
27.第一开关和第一分离点相互联锁，并且第二开关和第二分离点相互联锁。这可以被设计成使得例如分离点通过相关开关的各自的控制触点和各自的辅助触点(信号触点)与电网电压连接。这些辅助触点被设计成使得当存在电网电压，耦合开关断开，并且辅助触点因此闭合时，分离点才能闭合。反之亦然：在这里，当相关的分离点同时断开，辅助触点因此闭合，并且当然控制信号被激活时，用孤立电网电压(备用情况)来控制耦合开关。由此确保了只有分离点或耦合开关闭合，而不是这两者同时闭合。这也使得在备用系统已切断且电网电压存在的情况下，可以通过第一分离点将电网切换至用电器。
28.在本发明的另一实施方式中，耦合元件具有用于发电机的连接端。这样，发电机只在备用操作中并入。这在与上述机电联锁有关的情况下是特别有利的。因此，当备用系统切断并且没有供电电网时，例如可以手动启动发电机，然后通过相应的布线连接到用电器。然而，现在必须确保当存在供电电网时，切换到发电机不会再次自动断开，因为否则在用电器上可能会发生跳相(非同步切换)，这可能会损害或破坏用电器。通过机电联锁可以确保首先必须停止发电机，然后才将供电电网重新连接到用电器。
29.在具有单相设计的负载连接端和储能器装置的单相连接端的本发明的另一有利的实施方式中，即用电器装置连接到外部导体和中性导体，耦合设备和两个分离点的开关可以设计成两个开关部件，例如，作为分别具有4个触点(2个常闭触点和2个常开触点)的两个保护装置(schutz)。因此，第一分离点和耦合设备的第一开关可以共同构造在这种保护装置中，第二分离点也可以和耦合设备的第二开关构造在一起。
30.为了解决上述任务，本发明还提出一种用于操作本地供电系统的方法。在此，本地供电系统具有：第一传输线路，其用于将电能从电网传输点传输到第一连接端，用电器装置可以连接到第一连接端上；以及第二传输线路，其用于在电网传输点和第二连接端之间传输电能，储能器布置可以连接到第二连接端上。在第一传输线路中，第一分离点位于电网传输点和第一连接端之间。在第二传输线路中，第二分离点位于电网传输点和第二连接端之间。本地供电系统还具有耦合设备，该耦合设备与第一连接端和第二连接端电连接，其中耦合设备具有第一开关和与其串联连接的第二开关，并且在串联连接的这两个开关之间布置了耦合元件。本地供电系统还具有中央控制单元。该方法包括以下步骤：对于正常操作，通过中央控制单元闭合第一分离点和第二分离点，并断开耦合设备的两个开关，对于备用操作，通过中央控制单元断开第一分离点和第二分离点，并闭合耦合设备的两个开关，从而激活耦合元件。耦合元件的激活解决了如上文所详述的正常操作和备用操作之间不同标准的要求的技术问题。
31.在该方法的有利的实施方式中，第一分离点和第二分离点以及串联连接的两个开关同时切换。由此，可以实现不间断地向用电器供电。
32.在该方法的有利的实施方式中，在电网传输点测量供电电网的电网参数并将其传输到中央控制单元。中央控制单元根据测量的电网参数控制第一分离点和第二分离点以及
耦合设备的两个开关的断开和闭合。
33.下面将基于实施例并参照附图对本发明进行阐述，结合权利要求的特征，从附图中获悉本发明的其他特征、性质和优点。在附图中：
34.图1示出了根据本发明的其上连接有单元的本地供电系统的示意图；
35.图2示出了根据本发明的供电系统的示例性实施形式；
36.图3示出了根据本发明的耦合元件的示例性实施形式；
37.图4示出了根据本发明的耦合元件的另一示例性实施形式。
38.图1示意性地示出了本地供电系统1，该本地供电系统1通过电网传输点4连接到供电电网5。用于传输电能的第一传输线路2从电网传输点4引向第一连接端16。在第一连接端16上可以连接用电器装置6。第一分离点7位于电网传输点4和第一连接端16之间的第一传输线路2中。第二传输线路3在电网传输点4和第二连接端18之间延伸。在连接端18上可以连接储能器装置8。通过第二传输线路3可以在供电电网5和储能器装置8之间双向交换能量。第二分离点9位于电网传输点4和第二连接端18之间的第二传输线路3中。耦合设备10与第一连接端16和第二连接端18电连接。耦合设备10具有第一开关11和与第一开关11串联连接的第二开关13。在串联的两个开关11、13之间布置了耦合元件12。耦合设备10在第一分离点7和第一连接端16之间连接到第一传输线路2上，并且在第二分离点9和第二连接端18之间连接到第二传输线路3上。
39.图2示出了根据优选的实施方式的本地供电系统1。在这里，供电电网5被设计成具有外部导体l1、l2、l3和中性导体n的三相电网。在正常操作中，分离点7和9是闭合的，开关11和13是断开的，耦合元件12在这种操作状态下是无效的。用电器装置6由供电电网5供电。储能器装置8可以由供电电网5充电，或向供电电网5馈电，例如以提供电网服务。在本发明的实施方式中，储能器装置8包括电池20和发电机21。优选地，发电机21可以包括可再生能源。发电机21和电池20可以分别具有独立的转换器25，或者可以用共同的转换器25来操作。具有热电联供的热电联产机组(blockheizkraftwerk)，例如用沼气来操作，也可以作为发电机21集成到储能器装置8中，这样就有可能不需要转换器了。
40.如果供电电网5受到干扰，例如电网频率超过发电机和电池的允许极限，则断开分离点9，以将储能器装置8与供电电网5分离。用电器装置6通常可以继续在供电电网5上操作。因此，分离点7可以保持闭合。尽管与供电电网5分离，但在储能器装置8内，电池20可以通过发电机21充电。
41.如果供电电网5发生故障，例如如果电网电压下降到允许极限以下，则除了分离点9以外，还可以断开分离点7，以便启动备用操作。在断开分离点7之后，可以首先闭合耦合设备10的第二开关13，以便使耦合元件12(在本实施方式中被设计成接地装置22)与储能器装置8连接。由此，可以为储能器装置8建立星点接地，该星点接地允许在第一开关11闭合后针对用电器装置6使用保护装置。这可以是区域性的规定。在第一开关11闭合后，可以从储能器装置8中向用电器装置6供应能量。储能器装置8包含至少一个电网形成器(未示出)，例如该功能可由电池20的转换器25接管。这意味着转换器25可以独立建立孤立电网。
42.电网状态由传感器在电网传输点4检测，并被传输到中央控制器(未示出)。该控制器可以位于电网形成器中或者也可以是本地供电系统1的一部分。
43.如果供电电网5又恢复到允许给用电器装置6供电的状态，则可以开始回到正常状态。为此，电网形成器与电网5的频率、相位和电压同步。传感器的传输值可用于此目的。现在，可以闭合分离点7，同时或在此之前断开第一开关11，以便从供电电网5向用电器装置6供电。
44.如果储能器装置8的操作条件也得到满足，则也可以断开第二开关13，并在这之后或同时闭合分离点9。这些条件可以包括必须在指定时间段内遵守的关于电网电压和频率的极限。可替代地，对于不间断的切换，也可以用所述方式同时切换上述所有开关。
45.到目前为止已知的本地供电系统通常在中性导体n和地之间的连接中设计有开关。这必须以复杂的方式监测，或以复杂的方式实施。通过使用耦合元件12简化了这一点，因为中性导体n和地之间的连接是固定安装的，并且在备用操作的连接程序中自动正确连接。即使未满足或尚未满足储存器装置8的连接条件，将用电器装置6与供电电网5连接并从该供电电网供电的方案也带来了额外的好处。
46.图3示出了根据本发明的耦合设备10的实施形式。在这里，第一传输线路2配备有三个外部导体l1、l2、l3和一个中性导体n。第二传输线路3以及连接端18也被设计成单相的(这里示例性地连接到l3)，储能器装置8通过该连接端18向本地供电系统馈电。在该实施方式中，耦合元件12具有相连接装置23。在电网发生故障的情况下，分布在外部导体l1、l2、l3上的用电器可以在通过第一开关11和第二开关13以及相连接装置23连接时由单相的储能器装置8供电。
47.图4示出了根据本发明的耦合设备10的另一实施形式。在该实施形式中，耦合元件12具有以自耦变压器形式产生中性导体电势的装置24。第一传输线路2设计有两个外部导体l1、l2和一个中性导体n用于单相三线电网。第二传输线路3以及连接端18在这里被设计成两相的，而没有中性导体n，储能器装置8可以通过连接端18向本地供电系统1馈电。因此，在备用操作中，必须由装置24产生中性导体电势。这是在一个相和中性导体n之间连接单相用电器所必需的。此外，在该示例中，还假设切换中性导体n被规定所禁止，因此，第一开关11只为两个外部导体l1、l2配备了两个开关触点。
48.参考标记列表
[0049]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
供电系统
[0050]
2，3
ꢀꢀꢀꢀ
传输线路
[0051]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电网传输点
[0052]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
供电电网
[0053]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
用电器装置
[0054]
7，9
ꢀꢀꢀꢀ
分离点
[0055]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
储能器装置
[0056]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
耦合设备
[0057]
11，13
ꢀꢀ
开关
[0058]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
耦合元件
[0059]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电池
[0060]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
发电机
[0061]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接地装置
[0062]
23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
相连接装置
[0063]
24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
用于产生中性导体电势的装置
[0064]
25
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转换器。